Меню

Принципы действия источников тока

Виды источников тока

Источники тока используют для длительного поддержания электрического поля и получения электрического тока. Все они могут иметь различные принципы работы, внешний вид, конструкцию и размеры.

Источники тока – это устройства:
— способные создавать и поддерживать электрический ток;
— в них сторонние силы совершают работу по перемещению зарядов против электрических сил;
— а механическая, внутренняя, химическая или иная энергия превращается в электрическую.

Какие виды источников тока существуют

Энергия не может возникать из ничего. Об этом говорит закон сохранения энергии. Во всех без исключения источниках, электроэнергия создается за счет других ее видов.

В зависимости от того, какая именно энергия превращается в электрическую, выделяют такие виды (рис. 1) источников:

  1. механические – генераторы,
  2. тепловые – термопары, термогенераторы,
  3. световые (фотоэлектрические) – солнечные батареи и фотоэлементы,
  4. химические – гальванические элементы и аккумуляторы.

Рассмотрим подробнее эти виды.

Механические источники

Электрофорная машина – один из механических источников тока (рис. 2), применяемых более столетия.

С помощью этого устройства механическая энергия вращающихся дисков преобразовывается в электрическую энергию. При этом, происходит разделение положительных и отрицательных зарядов.

Превращение энергии вращения (механической) в энергию электрического тока происходит в различных генераторах.

В конструкции любого из них присутствуют элементы, создающие магнитное поле в пространстве вокруг проводника.

Например, электрический генератор для велосипеда (рис. 3), включает в себя кольцевой магнит и проволочную обмотку, расположенную рядом с ним.

Во время движения велосипеда магнит, расположенный внутри, вращается. Изменяющееся магнитное поле заставляет двигаться электроны по обмотке. Если к ее выводам подключить лампочку, она загорится, так как по цепи потечет электрический ток.

Мускульной силы человека хватает, чтобы зажечь лампочку для карманного фонаря. Однако, ее недостаточно, чтобы вырабатывать больше электроэнергии. Например, чтобы нагреть утюг и одновременно с этим зажечь несколько бытовых ламп накаливания.

Поэтому, для бытовых нужд и нужд промышленности в электрическую энергию превращают энергию сгорающего топлива, а не энергию сокращения мускул.

На тепловых, атомных и гидроэлектростанциях установлены мощные генераторы. Они могут отдавать потребителям токи в тысячи Ампер. А масса некоторых достигает десятков тонн.

На таких электростанциях превращение энергии происходит в несколько этапов. Сначала энергия горящего топлива превращается во внутреннюю энергию горячей воды, а затем — в механическую и, в конечном итоге, в электрическую.

Существуют, так же, устройства, предназначенные для бытового использования. Например, небольшие генераторы, массой в несколько килограммов, оснащенные бензиновым мотором (рис. 4).

Они, так же, преобразуют внутреннюю энергию топлива в механическую энергию вращения вала двигателя, который соединяется с генератором. А затем энергия вращения с помощью генератора превращается в электрическую энергию.

Тепловые источники

К тепловым относят различные термоэлементы. Термоэлемент — это прибор в котором, тепловая энергия, получаемая от нагревателя, превращается сначала во внутреннюю энергию вещества, а затем — в электрическую энергию.

Один из таких элементов называют термопарой (рис. 5). Термопара состоит из двух различных металлических проволок, спаянных вместе. Если нагреть место их соприкосновения, то на свободных концах проволочек можно обнаружить электрическое напряжение (ссылка).

Если свободные концы термопары присоединить к потребителю тока, то под действием тепловой энергии по замкнутой цепи побегут электроны, то есть, возникнет электрический ток.

Таким образом, эта незамысловатая конструкция преобразовывает внутреннюю энергию нагреваемых металлов в электрическую энергию.

Фотоэлектрические источники

Атомы некоторых веществ под действием видимого света способны терять электроны. Например, селен, кремний, оксиды цинка, меди, висмута. На основе этих и, некоторых других веществ создают источники, генерирующие электрический ток под действием (рис. 6) света.

Эти источники используют фотоэлектрический эффект (сокращенно — фотоэффект) (ссылка). В них энергия света преобразуется в электрическую.

Существует два вида фотоэффекта – внутренний, который используется в полупроводниках (ссылка) и внешний, используемый в вакуумных фотоэлементах на основе различных металлов.

Вакуумные фотоэлементы

В вакуумном фотоэлементе свет попадает на пластинку металла и выбивает электроны с ее поверхности. Такую пластинку называют катодом.

Выбитые электроны улавливаются другим электродом. Его называют анодом и обычно выполняют в виде металлической сетки.

Оба электрода находятся в стеклянном баллоне из которого удалили воздух. Дело в том, что молекулы воздуха могли бы помешать движению электронов, вылетевших из пластинки. Чтобы этого не происходило, воздух из баллона откачивают (рис. 7).

Таким образом, под воздействием света между катодом и анодом в вакууме возникает поток заряженных частиц. Они движутся направлено от катода к аноду. Значит, в фотоэлементе под действием света возникает электрический ток. Так световая энергия переходит в электрическую.

Солнечные батареи

Еще одним источником тока, в котором ток возникает за счет световой энергии, являются, так называемые, солнечные батареи. Их изготавливают из полупроводниковых пластин (рис. 8).

Падающий свет из полупроводника электроны не выбивает. А вызывает переход электронов в такое состояние, в котором у них появляется дополнительная энергия и они могут свободно передвигаться по полупроводнику, создавая электрический ток.

Химические источники

Если опустить два кусочка различных металлов (например, железа и меди) в емкость с проводящей жидкостью, можно получить химический источник тока.

В качестве проводящей жидкости можно использовать, например, лимонный сок. Воткнув в лимон два гвоздика из различных металлов (рис. 9) и подключив к ним гальванометр, можно обнаружить, что через гальванометр потечет электрический ток.

Такую конструкцию можно считать простейшим химическим источником тока. Гвоздики в нем — это электроды, а лимонная кислота – электролит.

Примечания:

  1. Проводящие жидкости называют электролитами.
  2. Существует, так называемый ряд электрохимических напряженый металлов. Наибольшее напряжение дают источники, построенные с применением металлов, расположенных в различных концах данного ряда.

Самым первым химических источником тока был Вольтов столб.

Алессандро Вольта и его первый гальванический элемент

Дело в том, что до исследований, проведенных А. Вольта, способ получить электрический ток был известен. Однако, эксперименты с электричеством, проводимые в лабораториях другими учеными, создавали ток всего на доли секунды. Источников, способных создавать ток, длившийся хотя бы единицы секунд, не существовало.

В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первый прибор, создававший электрический ток продолжительное время. Этот прибор в честь создателя называют Вольтовым столбом.

Ученый определил, что для получения гальванического (электрического) эффекта нужны два разных метала и проводящая жидкость.

Он длительное время потратил на эксперименты, использовал различные металлы и исследовал их свойства.

В процессе работы Вольта сделал вертикальный столбик, укладывая поочередно медные монеты и цинковые пластинки. Между металлами он укладывал кожаные кружочки, вымоченные в рассоле (рис. 10).

Так он создал первую в мире электрическую батарею. Принцип ее работы — превращение химической энергии в электрическую.

Соединяя проволокой два конца собранного столбика, он наблюдал ее нагревание и так определял действие электрического тока.

А чтобы сравнить, больше, или меньше электричества вырабатывал тот или иной столбик, Алессандро пользовался своим языком. Попросту, касался языком выводов созданного им гальванического элемента.

Такой столбик, при высоте, равной половине метра, вырабатывал напряжение, которое было довольно чувствительным.

В марте 1800 года Вольта направил письмо в Лондонское Королевское общество, в котором подробно описал результаты своей работы. А уже в июне оно было признано сенсационным среди ученых того времени.

Наполеон пригласил А. Вольта в Париж и лично присутствовал во время доклада и опыта, демонстрируемого им, а после наградил изобретателя.

Это изобретение сделало автора знаменитым. А благодаря ему в скором времени были совершены другие открытия в области физики.

Какие открытия были совершены благодаря столбу Вольта

В том же году с помощью Вольтова столба вода была разложена на водород и кислород. Это сделали Карлайл и Николсон.

А спустя три года, в 1803 году, Василий Петров создал самый большой в мире столб. Он выдавал напряжение 1700 вольт и содержал более 4000 медных и цинковых кругов. Этот столб помог получить электрическую дугу, которая применяется в электросварке металлов.

После работ Петрова в России стали применять электрические запалы для взрывчатых веществ.

А спустя еще четыре года, в 1807 году, ученым по фамилии Дэви был открыт металлический калий.

Благодаря способности Вольтова столба создавать электрический ток продолжительное время – в течение нескольких часов, началось широкое применение электричества.

По истечении этого времени, на металлах появлялся окисел, препятствующий выработке электрического тока. Нужно было разбирать конструкцию и протирать металлы, избавляя их от этого окисла. А кусочки кожи необходимо было время от времени смачивать рассолом.

Сухой гальванический элемент — батарейка

Значительно позже открытия Вольта, во второй половине 1880-х годов, инженером из Германии Карлом Гасснером был создан сухой гальванический элемент.

Сухим элемент был назван потому, что в качестве электролита в нем использовалась не жидкость, а гелеобразный состав. Такие элементы можно наклонять и даже переворачивать, не боясь пролить электролит. Поэтому, они значительно удобнее жидкостных.

Читайте также:  Зарядка для смартфона с небольшим током

Внутри элемента происходят химические превращения. Эти превращения являются экзотермическими, так как протекают с выделением энергии. Затем внутренняя энергия источника переходит в электрическую.

К примеру, в современном сухом гальваническом элементе (рис. 11), цинк реагирует с хлоридом аммония и при этом получает отрицательный электрический заряд.

Протекая, такие реакции вызывают расходование некоторых частей источника. Например, цинкового электрода.

Из-за этого, в гальванических элементах химические реакции будут необратимыми. Так как, спустя некоторое время, для нормального протекания химических превращений, не будет хватать ресурсов.

Когда скорость химических реакций замедляется, элемент перестает вырабатывать электрический ток. В таких случаях говорят, что элемент разрядился – «села батарейка».

Отработанные гальванические элементы нужно утилизировать. Это позволит использовать вновь некоторые их компоненты, а не загрязнять окружающую среду.

Мировая промышленность выпускает ассортимент стандартизированных элементов питания (рис. 12).

Например, тип АА – пальчиковая батарейка, или ААА – тонкая пальчиковая. Так же, существуют типоразмеры, обозначаемые C D и N. Они имеют ЭДС 1,5 Вольта.

Существуют другие и типы, например, «квадратная» батарейка 3R12, имеющая ЭДС 4,5 Вольт и используемая в карманных фонариках. А, так же, небольшая батарейка вида pp3 с ЭДС 9 Вольт, часто называемая «Крона» или «Корунд».

Гальванические элементы на электрических схемах обозначают специальными значками.

Аккумуляторы и их виды

Устройство аккумулятора внешне напоминает устройство гальванического элемента. Присутствует корпус, в котором находятся две пластины из разных металлов. Одна служит положительным электродом, а другая – отрицательным. Эти пластины помещены в электролит (рис. 13).

Однако, аккумуляторы, в отличие от гальванических элементов, являются многоразовыми устройствами.

Свое название они получили из-за того, что могут аккумулировать, то есть, накапливать электрическую энергию. А затем, отдавать накопленную энергию потребителям.

Химические реакции в аккумуляторах могут протекать в двух направлениях (зарядка — разрядка).

Перед использованием аккумулятор необходимо зарядить. Для этого используют специальные источники тока, которые называют зарядными устройствами. Они пропускают через аккумулятор ток зарядки.

Под воздействием этого тока в аккумуляторе протекают химические реакции, во время которых он накапливает электрические заряды. Один электрод заряжается положительно, а другой – отрицательно.

После, подключив к заряженному аккумулятору потребитель тока, можно использовать накопленную им энергию.

Называть аккумуляторы принято:
— по видам используемых жидкостей — кислотные, щелочные.
— либо по названию металлов, используемых в качестве электродов — свинцовые, железоникелевые, литиевые, и т. п.

В качестве пластин — электродов используют металлы: свинец, железо, литий, титан, кобальт, кадмий, никель, цинк, серебро, алюминий.

Существуют аккумуляторы с гелеобразным электролитом. Такие аккумуляторы можно наклонять в различные стороны, не боясь утечки электролита. Например, литий-полимерные батареи, используемые в мобильных телефонах.

Примечание: Чем больше геометрические размеры электродов источника, тем большую силу тока в полезной нагрузке он может обеспечить. Поэтому, аккумуляторы для автомобилей с ЭДС 12 и 24 Вольта, рассчитанные на большие токи нагрузки, имеют массу от 10 килограммов и большую.

Аналогия между источником тока и водяным насосом

Аналогию с потоком жидкости часто применяют по отношению к электрическому току.

Независимо от того, какой вид энергии превращается в электрическую, принцип работы источника тока чем-то напоминает работу водяного насоса. Различия в том, что источник тока перекачивает заряды, а не жидкость.

Рассмотрим замкнутый контур, состоящий из трубы и водяного насоса, который способен привести в движение воду, так, чтобы она начала циркулировать по трубе (рис. 14а).

Частицы воды будут двигаться и, ток воды будет циркулировать за счет разности давлений, которую будет создавать и поддерживать насос.

На рисунке 14 кружком с треугольником обозначен насос. Направление движения воды отмечено стрелкой. По левую сторону от насоса давление обозначено \(\large P_<1>\), по правую сторону — \(\large P_<2>\) (рис. 14а).

С помощью неравенства

отмечено, что давление слева от насоса будет больше давления справа.

Подобно движению частиц воды, заряды придут в движение и электрический ток будет циркулировать по замкнутой цепи за счет разности потенциалов, которую будет создавать включенная в эту цепь батарейка (рис. 14б) — источник тока.

Сила, перемещающая заряды во внешней цепи, появляется благодаря тому, что источник тока создает разность потенциалов на своих выводах и электрическое поле.

Слева и справа от источника отмечены потенциалы \(\large \varphi_<1>\) и \(\large \varphi_<2>\). При чем, потенциал слева от источника больше потенциала справа.

Это отмечено неравенством

\[\large \varphi_ <1>> \varphi_<2>\]

Обратите внимание: источник тока (сторонние силы) заставляет двигаться электроны – отрицательно заряженные частицы, от точки с меньшим потенциалом, в точку с потенциалом большим, а электрический ток направлен в противоположную сторону — от «+» к «-».

Разность потенциалов так же называют электрическим напряжением.

\[\large \Delta \varphi = \varphi_ <2>— \varphi_ <1>= U \]

\(\large \varphi \left( B \right) \) – потенциал, измеряется в Вольтах;

\(\large U \left( B \right) \) – напряжение, измеряется в Вольтах;

Источник



Источник тока

Источник тока – элемент питания электрической цепи, обеспечивающий постоянное потребление, измеренное амперами, либо заданную форму закона изменения параметра. Так работают сварочные аппараты, каждой толщине металла соответствует номер (диаметр) электрода. Процесс обеспечен постоянным током. В противном случае начинается срыв дуги, происходят другие неприятные эффекты.

Отличие реального источника от идеального

Известно, мощность источника питания электрической цепи ограничена. В результате увеличение нагрузки вызывает изменение параметров. Общеизвестны скачки напряжения гаражных кооперативов, дач, прочих специфичных объектов. Подстанция выделяет ограниченный ресурс, потребление бывает немаленьким. В первую очередь, подразумеваются нагревательные приборы (воды), сварочные аппараты.

Таким образом, розетка выступает источником напряжения. Вольтаж сильно зависит от поведения потребителей. Замечено, утренние часы подстанции перегружают, соответствующим образом учитывается областями при тарификации. Что касается идеальных источников, подразумевается, параметры постоянные. До некоторых пор встретить подобное оборудование представлялось невозможным, современные технологии рамки ограничений сильно расширили.

Инвертор сварочный

Сварочный инвертор IWM 220 сохраняет работоспособность в диапазоне питающих напряжений 180 – 250 вольт, выдавая постоянное действующее значение тока на зажимы. Электронные блоки питания достигают столь высоких показателей путем гибкого регулирования режимов работы. Брать инверторы, принцип действия основан на выпрямлении, фильтрации напряжения 220 вольт, последующей нарезкой пачками импульсов. Варьированием скважности посылок, длиной достигается изменение тока.

Измерительный датчик Холла влияет, напрямую или опосредованно, на напряжение смещения силового ключа. Возможны другие, процессорные, схемы управления выходными параметрами приборов. В последнем случае заботы забирает процессор, несущий соответствующую программу, заложенную в память цифровым кодом.

Для сварки используются переменный и постоянный токи, для черных и цветных металлов. Важно понимать: источник способен поддерживать любой закон изменения параметров. Это признаётся отличительной особенностью, предназначением. Обеспечивает правильное функционирование потребителей.

Работа источника тока

Требования к факторам питания

В учебниках физики приводятся в качестве примеров источников тока:

  1. Батарейки.
  2. Аккумуляторы.

Несложно заметить, сплошь гальванические источники питания химического принципа действия. Автоводитель знает: аккумулятор бессилен выдать постоянный ток, напряжение. Мощность ограничена скоростью протекания химических реакций на пластинах, обкладках. В результате параметры не остаются постоянными.

Лучший пример источника питания тока, напряжения – инвертор. Электроника гибко изменяет параметры устройства, добиваясь достижения нужного эффекта. На выходе переменные, постоянные напряжения, токи. В зависимости от возникающих потребностей. В персональном компьютере уйма питающих напряжений: для жестких дисков, процессора, DVD-приводов. 5, 12, 3,3 В. У каждого предназначение, несколько предназначений.

Протекание тока в цепи

Протекание тока в цепи

Таким образом, потребитель определяет, нужен постоянный ток, либо требуется напряжение, сформированное по определенному закону. Если брать сварку, скорость протекания через плазму зарядов определяет рабочую температуру процесса, напрямую предопределяет условия существования дуги, глубину плавления металла. Технологи давно просчитали условия, определили экспериментально, руководство сварочного аппарата пишет следующее:

  • толщина листа – 3 мм;
  • диаметр электрода – 3,2 мм;
  • рабочий ток процесса 100 – 140 А.

Сварщик молниеносно выставляет указанные параметры на корпусе IWM 220, берет электрод нужного диаметра, обжимает ухватом, заводит второй выход на землю. Потом надевает маску, начинает легонько постукивать детали, получая искру. Не слишком обеспокоен результатами труда, отраслевое пособие промышленности сообщает, с какой скоростью двигаться вдоль шва, под каким углом наблюдать результат процесса. Сварщик твердо знает, чего делать не нужно. Чтобы удостовериться, специальная комиссия по результатам тестов (выполнение определенных швов) присваивает рабочему разряд (ощутимо влияет на спектр полномочий, заработную плату).

Итак, род тока определяют потребности идущего процесса. В большинстве случаев требуется напряжение, часто приборы первоначально требовали постоянства тока. Прежде это обогреватели различного толка, основывающие принцип действия законом Джоуля-Ленца. Мощность, преобразующаяся в тепло, определяется размером сопротивления, протекающим током.

В бытовых целях удобнее поддерживать напряжение. Помимо обогревателей имеется множество других приборов. Прежде всего электроника. Напряжение на активном сопротивлении проводника линейно зависит от тока. Нет разницы, что поддерживать постоянным. Отчего тогда при сварочном процессе приходится стабилизировать.

Читайте также:  Апвпуг 3х300 допустимый ток

Рука сварщика неспособна двигаться с достаточной твердостью, флуктуации воздуха постоянно меняют длину дуги. Имеются другие помехи. Напряжение на участке непостоянно. Следовательно, ток менялся бы (согласно закону Ома). Недопустимо по причинам описанным выше: изменится температура, технологический процесс пойдет неправильным путем. Приходится поддерживать постоянным ток, не напряжение.

Как практики получают ток заданной формы

Исторически первыми открыты гальванические источники тока. Произошло в 1800 году. Гением, подарившим человечеству первый источник питания, является Алессандро Вольта. Последовала плеяда открытий. Первым измерителем стал гальванометр – прибор, регистрирующий силу электрического тока. Принцип действия новинки, представленной миру Швейггером, основывался на взаимодействии магнитных полей проводника, стрелки компаса.

Вопрос важен по простой причине, для поддержания нужного закона тока нужно измерить физическую величину. Первые гальванометры оценивали параметр по силе магнитного поля, создаваемого проводником. В дальнейшем заложило основу действия первых тестеров. Как работает современное оборудование?

В зарядных устройствах поддерживается постоянным напряжение. Ток измеряется с целью оценки полноты наполненности батареи. Благодаря продуманному подходу, телефон способен сигнализировать мнемонически о ходе процесса. Когда батарея полна, полоса зарядки полностью закрашивается (первые сотовые телефоны), либо исчезает (на многих смартфонах в выключенном состоянии). Ход процесса регистрируется датчиком Холла: только исчезают импульсы, считается, устройство не нуждается в дальнейшей подзарядке.

На основе указанного эффекта первое время было возможным регистрировать наличие/отсутствие тока. С развитием науки, техники появились преобразователи на основе соединений индия, отличающиеся неплохими метрологическими качествами. По величине выходного напряжения способные оценивать параметры тока. Современные аналого-цифровые преобразователи измерения позволят перевести разницу потенциалов в цифры, понятные процессору. Последний выполняет необходимые операции по управлению устройством, способствуя получению тока заданной формы.

Инвертор действует схожим образом. Последовательности импульсов, нарезаемые ключом, проходят малогабаритный параметр в неизменном виде (форма графика), с измененными характеристиками. Остается только измерить нужные величины, произвести интегрирование на некотором участке. В результате современный сварочный аппарат по определению защищен против залипания: при резком возрастании тока питания отключается. Имеются у инверторов некоторые другие полезные качества, обеспечиваемые электроникой. Вот почему сварщикам нравятся аппараты.

В мощных цепях ток контролируется трансформаторами. Датчики Холла с десятками, сотнями амперов не работают напрямую. Типичный лимит составляет десятки мА. Используется принцип, схожий с имеющим место быть в цифровых мультиметрах: из потока движущихся по электрической цепи зарядов вычленяется некоторая малая часть. Далее пропорцией оценивается полная величина. Трансформаторы тока действуют аналогичным образом. Не имея первичной обмотки, путем электромагнитной индукции передают малую часть энергии поля измерительному средству (например, счетчику, аппаратуре контроля).

Отличительные особенности

Из сказанного понимаем следующее:

  1. Физика под источником тока понимает агрегат, формирующий на выходе постоянный параметр. Практика часто предъявляет иные требования. Хотя чаще ток требуется постоянный.
  2. На схемах источник тока обозначают по-другому, нежели источник ЭДС. Круг с двумя галками. Иногда рядом стоит латинская литера I. Сие помогает решать согласно уравнениям Кирхгофа задачи нахождения условий элементов электрической цепи.
  3. Форма закона генерируемого тока определяется нуждами потребителя. Большинство бытовых приборов питается напряжением. Постоянство тока, особая форма не нужны, даже приносят вред. Мясорубка при заклинивании вала костью требует больше энергии. На это настроена регулирующая и защитная электроника.
  4. Мощность, отдаваемая идеальным источником, растет пропорционально активному сопротивлению нагрузки. В реальности видим некий лимит, выше которого параметры начнут отличаться от заданных.

Проще говоря, исторически с точки зрения практики удобнее постоянным поддерживать напряжение, не ток. Термин, рассматриваемый разделом, вызывает много затруднений у людей посторонних, далеких электронике, вполне сведущих в технике. Итак, источник тока – отвечает за поддержание нужной формы тока. Чаще требуется постоянный.

Величина тока послужит целям регулирования. Искрение коллекторного двигателя сопровождается возрастанием нагрузки. Растет потребляемый ток, цепи контроля повышают напряжение на обмотках с целью преодолеть возникший «кризис». Приводит к необходимости контроля величины тока. В мясорубках задачу решает цепь обратной связи, формирующая угол отсечки ключом входного напряжения.

Пытаясь сохранить постоянной разность потенциалов, приборы варьируют потребление тока. В результате запрашиваемая от подстанции мощность меняется, эффект приводит к проседанию вольтажа. Визуально наблюдаем медленным миганием лампочек накала (энергосберегающие несут в цоколе драйвер для поддержания постоянства напряжения). Аналогичным образом устройства показали бы проседание тока при неизменном напряжении.

Источник

Какие существуют виды источников электрического тока?

Источник электрического тока – это устройство, с помощью которого создаётся электрический ток в замкнутой электрической цепи. В настоящее время изобретено большое количество видов таких источников. Каждый вид используется для определённых целей.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Виды источников электрического тока

Существуют следующие виды источников электрического тока:

  • механические;
  • тепловые;
  • световые;
  • химические.

Механические источники

В этих источниках происходит преобразование механической энергии в электрическую. Преобразование осуществляется в специальных устройствах – генераторах. Основными генераторами являются турбогенераторы, где электрическая машина приводится в действие газовым или паровым потоком, и гидрогенераторы, преобразующие энергию падающей воды в электричество. Большая часть электроэнергии на Земле производится именно механическими преобразователями.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Тепловые источники

Здесь преобразуется в электричество тепловая энергия. Возникновение электрического тока обусловлено разностью температур двух пар контактирующих металлов или полупроводников — термопар. В этом случае заряженные частицы переносятся от нагретого участка к холодному. Величина тока зависит напрямую от разности температур: чем больше эта разность, тем больше электрический ток. Термопары на основе полупроводников дают термоэдс в 1000 раз больше, чем биметаллические, поэтому из них можно изготавливать источники тока. Металлические термопары используют лишь для измерения температуры.

В настоящее время разработаны новые элементы на основе преобразования тепла, выделяющегося при естественном распаде радиоактивных изотопов. Такие элементы получили название радиоизотопный термоэлектрический генератор. В космических аппаратах хорошо себя зарекомендовал генератор, где применяется изотоп плутоний-238. Он даёт мощность 470 Вт при напряжении 30 В. Так как период полураспада этого изотопа 87,7 года, то срок службы генератора очень большой. Преобразователем тепла в электричество служит биметаллическая термопара.

Световые источники

С развитием физики полупроводников в конце ХХ века появились новые источники тока – солнечные батареи, в которых энергия света преобразуется в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников выдавать напряжение при воздействии на них светового потока. Особенно сильно этот эффект наблюдается у кремниевых полупроводников. Но всё-таки КПД таких элементов не превышает 15%. Солнечные батареи стали незаменимы в космической отрасли, начали применяться и в быту. Цена таких источников питания постоянно снижается, но остаётся достаточно высокой: около 100 рублей за 1 ватт мощности.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Химические источники

Все химические источники можно разбить на 3 группы:

  1. Гальванические
  2. Аккумуляторы
  3. Тепловые

Гальванические элементы работают на основе взаимодействия двух разных металлов, помещённых в электролит. В качестве пар металлов и электролита могут быть разные химические элементы и их соединения. От этого зависит вид и характеристики элемента.

ВАЖНО! Гальванические элементы используются только разово, т.е. после разряда их невозможно восстановить.

Существует 3 вида гальванических источников (или батареек):

  1. Солевые;
  2. Щелочные;
  3. Литиевые.

Солевые, или иначе «сухие», батарейки используют пастообразный электролит из соли какого-либо металла, помещённый в цинковый стаканчик. Катодом служит графито-марганцевый стержень, расположенный в центре стаканчика. Дешёвые материалы и лёгкость изготовления таких батареек сделали их самыми дешёвыми из всех. Но по характеристикам они значительно уступают щелочным и литиевым.

Какие существуют виды источников электрического тока?

В щелочных батарейках в качестве электролита используется пастообразный раствор щёлочи — гидрооксида калия. Цинковый анод заменён на порошкообразный цинк, что позволило увеличить отдаваемый элементом ток и время работы. Эти элементы служат в 1,5 раза дольше солевых.

В литиевом элементе анод сделан из лития — щелочного металла, что значительно увеличило продолжительность работы. Но одновременно увеличилась цена из-за относительной дороговизны лития. Кроме того, литиевая батарейка может иметь различное напряжение в зависимости от материала катода. Выпускают батарейки с напряжением от 1,5 В до 3,7 В.

Аккумуляторы — источники электрического тока, которые можно подвергать многим циклам заряда-разряда. Основными видами аккумуляторов являются:

  1. Свинцово-кислотные;
  2. Литий-ионные;
  3. Никель-кадмиевые.

Свинцово-кислотные аккумуляторы состоят из свинцовых пластин, погружённых в раствор серной кислоты. При замыкании внешней электрической цепи происходит химическая реакция, в результате которой свинец преобразуется в сульфат свинца на катоде и аноде, а также образуется вода. В процессе зарядки сульфат свинца на аноде восстанавливается до свинца, а на катоде до диоксида свинца.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Литий-ионный аккумулятор получил своё название из-за того, что в качестве носителя электричества в электролите служат ионы лития. Ионы возникают на катоде, который изготовлен из соли лития на подложке из алюминиевой фольги. Анод изготавливается из различных материалов: графита, оксидов кобальта и других соединений на подложке из медной фольги.

Напряжение в зависимости от применяемых компонентов может быть от 3 В до 4,2 В. Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда-разряда литий-ионные аккумуляторы приобрели большую популярность в бытовой технике.

ВАЖНО! Литий-ионные аккумуляторы очень чувствительны к перезарядке. Поэтому для их зарядки нужно использовать зарядные устройства, предназначенные только для них, которые имеют встроенные специальные схемы, предотвращающие перезаряд. Иначе может произойти разрушение аккумулятора и его возгорание.

Какие существуют виды источников электрического тока?

В никель-кадмиевых аккумуляторах катод сделан из соли никеля на стальной сетке, анод из соли кадмия на стальной сетке, а электролит — смесь гидроксида лития и гидроксида калия. Номинальное напряжение такого аккумулятора — 1,37 В. Он выдерживает от 100 до 900 циклов зарядки-разрядки.

Читайте также:  Мощность тока в зарядном устройстве для телефона

Тепловые химические элементы служат как источники резервного питания. Они дают отличные характеристики по удельной плотности тока, но имеют короткий срок службы (до 1 часа). Применяются в основном в ракетной технике, где нужны надёжность и кратковременная работа.

Источник

Источники электрического тока — таблица по видам

Общие сведения

Упорядоченное движение электрических зарядов в физическом теле называют током. Значит, для того чтобы он существовал необходима какая-то сила, воздействующая на обладающие энергией элементарные частицы. Причём её действие должно быть постоянной для поддержания необходимого электротока в установленный промежуток времени. Именно для этого и используют источники электрического тока, приборы, которые умеют генерировать электричество.

Создание первого источника датируется 1800 годом, когда физик Вольт представил сообществу прибор, названный им «электродвижущий аппарат». Позже он получил официальное название «вольтов столб». Принцип работы этого устройства заключался в растворении цинковой пластины, соединённой с медным проводником. Физик придал приспособлению вертикальную форму и разместил химические вещества поочерёдно. В итоге получился как бы слоёный пирог. Между пластинами цинка и меди заливался электролит.

Полуметровый столб Вольта подключался к замкнутой цепи, причём медный вывод считался плюсовым, а цинковый минусовым. Таким образом, Вольт, не поняв действительной причины возникновения тока, практически пришёл к созданию гальванического элемента, действие которого основывалось именно на превращении химической энергии в электрическую.

Несмотря на то что Вольт так и не смог понять действительную причину появления тока его прибор стал популярен среди учёных исследовавших электричество. Как выяснилось впоследствии «вольтов столб» стал прототипом гальванической батареи. В 1830 году русский учёный Петров на базе изобретения француза создал источник, выдающий 1,7 киловольта. Длина его установки составляла 12 метров, а мощность 85 ватт.

Сегодня под источником тока понимают генератор способный преобразовывать различного рода матерею в электричество, то есть создавать электромагнитное поле.

Следует отметить, что в электротехнике источники разделяют на два вида: тока и напряжения.

Отличия их в следующем:

  • генератор тока выдаёт постоянный поток электронов в независимости от напряжения и, по сути, является конденсатором с бесконечной ёмкостью;
  • источник напряжения обеспечивает постоянную разность потенциалов и похож на аккумулятор.

Но на самом деле эти различия чисто теоретические, на практике же отличия не существуют. Это связано с тем, что изготовить идеальный прибор невозможно. То есть такой, на который не влияет нагрузка приёмника, а внутреннее сопротивление нулевое.

Классификация приборов

Наиболее верным, с точки зрения науки, источнику тока даёт определение теория электрических цепей. Согласно ей под ним понимают двухполюсник, прохождение через который упорядоченных зарядов не зависит от приложенного потенциала на его выводах. В то же время в электротехнике им называют любой источник электрического поля.

Все существующие источники тока разделяют по виду преобразуемой ими энергии. Иными словами, по виду трансформируемой материи в силу, которая затем совершает работу по перемещению элементарных носителей зарядов. Существующие типы генераторов электротока можно представить таблицей:

Механические В их принципе работы используется преобразование двигательной энергии в электрическую. Трансформирование происходит в специальных устройствах — турбогенераторах. По сути, это машины, приводящиеся в работу газовым или паровым потоком. Отдельно стоит отметить гидрогенераторы — использующие преобразование энергии падающей воды.
Тепловые Электрический ток генерируется из-за возникновения разности температур при контакте металлов или полупроводников. Природные свойства заставляют носители зарядов переходить с нагретого вещества. Значение тока пропорционально разности температур. Такие устройства не могут обеспечить большую мощность, поэтому используются в качестве токовых датчиков (термопары). Хотя при этом существуют альтернативные источники, использующие распад изотопов.
Световые Разработки такого вида источников начались в конце ХХ века — солнечные батареи. В их работе используется свойство полупроводников генерировать электричество при бомбардировке их квантами света.
Химические Это большая группа генераторов тока, в основе которых применяется способность веществ при взаимодействии через электролит испускать энергию. По-другому их называют гальваническими. Например, к ним можно отнести аккумуляторы и простые батарейки.

Вне зависимости от типа устройства они все предназначены служить генераторами тока. Поэтому в схемах и технической литературе их обозначают одинаково. Условный знак сходен конденсатору только правая обкладка рисуется длиннее и обозначает положительный вывод.

Если источник состоит из нескольких приборов, то его обозначение, и реальное подключение, выполняют последовательным соединением минуса первого устройства к плюсу второго.

Идеальный и реальный генератор

Предполагается что в идеальном устройстве сопротивление, обусловленное внутренними характеристиками, бесконечно большое. Из-за этого параметры замкнутой сети не оказывают влияния на источник. Неограниченное увеличение сопротивления внешней электросети, подключённой к идеальному прибору тока, приводит к возрастанию напряжение на его зажимах. Отсюда следует, что увеличивается мощность, которая может развиваться до неограниченной величины. Поэтому идеальный генератор тока можно рассматривать как источник бесконечной мощности.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) преобразователя энергии представляет собой прямую линию, параллельную координатам U. Реальных же источников ВАХ будет пересекать обе оси. Точка пересечения соответствует нулевому току и напряжению. Такой режим работы приборов называют холостым ходом.

По сути, идеальный источник — это физическая абстракция. На самом деле любой электрический прибор обладает внутренним сопротивлением. Этот параметр обратно пропорционален мощности. Эквивалентная схема реального источника состоит из двух последовательно включённых генераторов ЭДС. Напряжение на клеммах находится как сумма падения разности потенциалов на внутреннем сопротивлении r и на нагрузке: E = ΔU + U.

Таким образом, формулы описывающие источники будут следующими:

  1. Идеального: U = I * R → P = I2 * R. Так как для токового прибора сила перемещения зарядов постоянна, то напряжение и мощность неограниченно буду расти при увеличении сопротивления.
  2. Реального: U = I (R * r/ (R + r)) → P = I2 * (R / (1 + R/r)2. Прибор, имеющий внутреннее сопротивление, эквивалентен источнику ЭДС.

Некоторым подобием идеального генератора тока может считаться устройство, состоящее из аккумулятора и последовательно подсоединённого к нему большого сопротивления. Им, может быть, пентод (электронная лампа). Обладая внутри сопротивлением несоизмеримо выше, чем импеданс внешней замкнутой цепи, эти радиоэлектронные приборы могут отдавать практически не изменяющийся по величине ток.

Таким образом, эти устройства выполняют свою главную роль в генерации электрического поля независимого от разности потенциалов, появившейся во внешней цепи.

Химические источники

Пожалуй, наиболее интересными для потребителя являются химические источники тока. Они характеризуются портативными размерами и работают на принципе прохождения окислительно-восстановительных реакций. Один из выводов принято называть анодом (плюс), а другой катодом (минус). На первом происходит окисление вещества, а на втором восстановлении. Пространство между электродами заполнено электролитом — диссоциатором раствора.

Сегодня производство может предложить несколько видов химических генераторов постоянного тока. Основные из них можно перечислить в таблице:

Тип Напряжение на выводах, В Ёмкость, мАч Градиент температур, °С
Солевый 1,5 1000 — 1100 -20 — 60
Щелочной 1,5 2400 — 2500 -30 — 60
Литий-тионилхлоридный 3,3 — 3,6 2000 — 2100 -55 — 85
Литий-диоксидмарганцевый 3 1500 — 1600 -20 — 85
Литий-диоксидсерный 2,6 — 2,9 800 — 900 -55 — 70

Анод таких источников изготавливают из лития, обладающего высоким отрицательным потенциалом по сравнению с другими проводниками. Такие источники обеспечивают питание нагрузки довольно продолжительное время. Самые лучший из них литий-тионилхлоридный элемент (Li/SOCl2).

Химические источники имеют ряд характеристик:

  1. Напряжение без подключения нагрузки.
  2. Ёмкость — величина, зависящая от выработки тока относящейся к единице объёма.
  3. Мощность.
  4. Ток саморазряда.

Потери ёмкости бывают вызваны не только подключением нагрузки, но и химическими реакциями, происходящим в спокойном состоянии элемента. Из-за небольшой мощности такие источники не используют в качестве тяговых. Для этой цели применяют никель-кадмиевые и никель-железные элементы. В них катод изготавливают из NiOOH, а анод из смеси кадмия с железом. В процессе заряда-разряда электролит в аккумуляторе не испаряется. Протекающую реакцию можно описать так: 2 Ni (OOH) + Cd + 2 Н2О = 2 Ni (OH)2 + Cd (OH)2.

Щелочными аккумуляторами называется устройство работающее на никель-кадмиевых и никель-металгидридных соединениях. В нём используется гидроксид калия. Но самыми популярными остаются свинцовые, в которых серная кислота является электролитом.

В сообщениях на тему об источниках электрического тока часто упоминают так называемую сахарную батарею. Работает она на сахарозе, и при разложении образует одну только воду. Какова её ёмкость неизвестно, так как прототип ещё находится на стадии разработки.

Источник